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1、波速测试及抗震规范培训 工程勘察公司 2009年2月6日前言单孔法波速测试土层等效剪切波速的测定方法及误差分析 陈小峰 李玉良 （河北中核岩土工程有限责任公司）l0引言l在地层稳定的平原地区，小范围内土层等效剪切波速应是一个较 为稳定的数值，这个数值是客观的，不应因测试人员、测试仪器 、测试时间的不同，有大的变化。但实践中有时会出现这种情况 ，即同一场地、不同的勘察单位提供的土层等效剪切波速差别很 大。例如某一建筑场地，两家勘察单位提供的土层等效剪切波速 分别为280m/s和190m/s，差异近50%，已远远超出测试、计算误差可以解释的程度，本文结合笔者的测试经验及实例，系统介 绍了剪切波速测
2、试的原理和测试方法，并对重点问提进行了讨论 ，以期寻找产生误差的原因，更好地指导工程实践。 1 等效剪切波速的计算方法及应用l依据建筑抗震设计规范（GB 50011-2001），剪切波速是划分场地地基土类型，确定覆盖层厚度，判定建筑场地类别的依据。土层等效剪 切波速按下式计算： lVse=d0/tl式中 Vse土层等效剪切波速（m/s）；ld0计算深度（m），取覆盖层厚度和20m二者的较小值； lt剪切波在地面至计算深度之间的传播时间；ldi计算深度内第i土层的厚度（m）；lvsi计算深度范围内第i土层的剪切波速（m/s）；ln计算深度范围内土层的分层数。l根据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度
3、，按表1.1划分建筑的场地类 别。 l当覆盖层厚度较大时（例如大于50m），建筑场地分类取决于20m内计算的土层等效剪切波速的大小，等效剪切波速250m/s是一个重要的界线，大于250m/s时，建筑场地类别为类，而等效剪切波速小于250m/s时，建筑场地类别就成为类。建筑场地类别不同则建筑场地结构设防投资差异明显，正确判定场地类别既关系到建筑物在遭遇地震时的安全使用，减少人民生命财产损失，又关系到建筑物的建设成本。因此，在某些覆盖层较厚的地区，等效剪切波速是否大于250m/s，是原位测试技术人员、岩土工程勘察技术人员、施工图审查人员以及结构设计人员关注的一个焦点。 2 波速测试方法l通常等效剪
4、切波速的测试采用单孔检层法，一般的测试步骤为：l1） 平整场地，在距孔口13m处，固定激震板，使激震板中垂线通过钻孔；l2） 安装、调试仪器；l3） 将三分量检波器放入预定深度，并贴紧孔壁；l4） 用铁锤左右敲击激震板，由仪器接收检波器信号，并进行简单判断，如信号正常，剪切波反向良好，重复激振波形一致性良好，则分别记 录正反向敲击的波形信号，该点试验结束；l5） 将三分量检测器放到下一测试点深度，重复上述步骤，直到全部测试点完成；l6） 如有必要，重复测试一定比例的试验点。3 获得理想波形资料的关键l单孔法波速测试方法并不复杂，但实际测试中，如果一些细节问题疏忽了，并不 一定能测得理想的波形，
5、给准确分析计算等效剪切波速带来困难。在测试中，以 下几个方面应格外注意：l1）合理设定仪器采样间隔l合理设定仪器采样间隔，是获取理想波形的前提，如果采样间隔设置太小，对于 频率较低的波形，视觉上会感觉太“散”，不象是常规意义的波形，且对于较深的 测点，可能采不到剪切波；而如果采样间隔设置过大，则波形可能会显得太“紧”，同时影响波速计算时的精度。那么如何合理设置采样间隔呢？波速测试仪器的 采样长度通常有512点、1024点、2048点等几种，常用的为1024点。在采样长度 确定为1024点后，要根据地层大致的平均波速及测试深度，来合理确定采样间隔 。第四系土层单孔法波速测试时，剪切波的主频一般在
6、4080Hz之间，周期大约 在12.525.0ms之间，假设测试深度为50m，50m地层的剪切波平均速度大于 250m/s，由t=50(m)/250(m/s)=0.2s，可以知道剪切波从震源到孔底的传播时间不 超过0.2s，0.2s/1024195s，则采样间隔可以选取200250s，采样时间长度 为0.205s0.256s，相当于1020个剪切波的周期，这样的采样间隔，既可以完 整地接收到剪切波，又不至于波形太“紧”或太“散”，波速计算也有相对较高的精度。l2） 激振板的放置l激振板的作用是通过锤击，产生有效的、足够能量的振动，经过土层传递至三分 量检波器，使仪器接收到高信噪比的剪切波。激振
7、板的尺寸和材质相对并不重要 ，关键是要能激发出能量较大的剪切波。使用木板作激震板时，要注意将孔口清 平，激震板放在距孔口13m的地表，钻孔通过激振板的中垂线，上压钻机或汽车前轮，用铁锤敲击其两端产生剪切波。木板较长，在市区测试时不易携带，且使 用过程中，板头容易被敲坏，影响测试工作的效果和效率。笔者将长1.2m左右、 腹板高度22cm的工字钢两端焊上钉齿做为激震板，测试时只需将钉齿砸入孔口附 近的地表土中，板端垫上25cm厚的木板，人站在激振板上左右敲击即可，垫木板的作用是使激发出来的波频率相对较低，波形较稳定，有效能量相对较高。这 样的激振板不必占用钻机或其他车辆，钻孔完成后钻机即可转移；坚
8、固耐用，尺 寸小，携带方便，可装进出租车的后备箱中。在放置激振板时，最好将表层松散 的杂填土铲掉，直接放置于均匀密实的老土上，因为杂填土较松散，均匀性差， 激发出来的波形不规则，显得较“乱”，且杂填土与原状土存在波阻抗界面，波传播时会产生一定的反射，能量有相对较多的损失。锤击时最好固定由一个人完成 ，因为每个人的锤击方法和能量会有一定的差异，激发出来的波形可能会有差异 ，触发延迟时间也可能有差异。 l3） 触发器的选用l触发器以及外触发方法有很多种，速度计、加速度计、压电类传感器都 可以用做触发器，也可采用短路触发或断路触发的方式。单孔法波速测 试常用的有两种外触发方法，第一种是将速度计(地震
9、检波器)插在激振板中部或其附近的地表土中，锤击振动传至触发器后触发仪器；第二种是 将压电类触发器（压电晶体传感器）固定在锤头上，锤击激振板的同时 触发仪器。无论哪一种触发器及触发方法，触发时间相对于激发时间总 是有延迟的，延迟时间的多少视触发器性能及触发方法而不同，同一个 触发器不同次触发，延迟时间也不会完全相同，因此测试之前，需要对 触发器的延迟时间及其稳定性有一个大致的了解，做到心中有数。笔者 曾在石家庄市的波速测试中，对不同的触发方法做过测试，发现本节中 提到的将速度计插入激振板中部地表土中的激发方法，其触发延迟时间 约2.5ms左右，而将压电类触发器固定在锤头的触发方法，其触发延迟 时
10、间仅为0.3ms左右，且延迟时间的稳定性要好于前者。对触发延迟时间有了解后，就可以根据实际情况选择不同的触发方法，资料分析计算 的时候，也可以对测试误差有一个大致的估算。 l4) 三分量检波器需贴壁良好l波动是由激振板位置穿过地层到达检波器位置，再通过贴壁装置 传递到三分量检波器的，因此保证贴壁良好对于能否测到理想的 波形是很重要的。常用的贴壁装置有气囊式和机械式两种，也有 的检波器厂家称自己的检波器可以自然贴壁。在泥浆护壁的钻孔 中，如果孔中泥浆较粘稠，在波速测试时检波器无需贴壁即可接 收到剪切波，而在干孔或清水钻孔中，检波器的贴壁就显得很重 要。在三分量检波器贴紧孔壁后，还要注意将连接检波
11、器的钢丝 绳、电缆线放松一些，以免波动沿钢丝绳传递至检波器，对测试 造成干扰。气囊式贴壁装置还要确保管路不漏气，否则也可能产 生干扰波。l5) 水平锤击，增强剪切波能量。l锤击时应使用20磅以上的铁锤做震源，锤头与激振板接触时，力的作用方向尽量水平，以增强剪切波的能量。4资料处理及误差分析l4.1 资料处理l野外测试完成后，利用剪切波分析程序将每个测试点左右敲击的信号进 行重叠放置，并按测点深度顺序排列成波列图，做为分析计算等效剪切 波速的基础图件。将不同深度测点的实测波形组成波列图，可直观明了 地判断测试效果的好坏，方便直观地确定剪切波初至。对于个别效果不 理想的测试点，确定剪切波初至时可参
12、考波列中前、后测点的初至位置 来插值确定。l在波列图中，按照正反向敲击产生的剪切波反向的原则，初步确定各测 试点剪切波初至。每一次激振后产生的波动中，均包含压缩波、剪切波 、面波等，每一种波的传播特点各不相同，压缩波相对剪切波传播速度 快，能量衰减快，离孔口一定深度后，压缩波与剪切波逐渐分离，剪切 波振幅远大于压缩波振幅，将两个相反方向敲击的波形重叠放置后，剪 切波相位相反。如图4.1所示，理想的测试波形，很容易根据剪切波的传播特点，确定其初至时间。 图4.1 剪切波波形图l剪切波初至时间确定后，就可以计算各测点剪切波速值。对于波 速异常的测点，适当调整初至时间，使整个波列初至连贯，相邻 测点
13、波速变化合理。剪切波的初至时间最终确定后，按照地基土 分层界线深度，计算各土层剪切波速及等效剪切波速值。l当击振板距离孔口很近时，覆盖层厚度大于20m的土层的等效剪 切波速vse应近似于20m地层的平均剪切波速值（即20m除以20m深度测点剪切波的初至时间后的数值），相对于层速度，等效剪 切波速的值更好确定，也很客观，20m深度测点剪切波初至时间前后移动几个采样间隔对最终数值影响不大。4.2 等效剪切波速的误差分析l等效剪切波速最终确定前，还应对其误差进行分析，做到心中有数，必要时要进行校正。可能给等效剪切波速带来误差的主要有以下几个方面：l1） 仪器误差l可用作波速测试的仪器类型很多，如浅层
14、地震仪、工程检测仪、基桩动测仪等。仪器每年都应到省级以上计量部门进行标定，检验其各种指标是否符合相关要求。如果仪器在检定周期内，且各项指标检定合格，则仪器的计时误差应可以忽略。l2） 测试误差，主要包括测点深度的测量误差和由于触发延迟时间造成的误差。l测点深度通常用测绳或标刻在电缆线上的深度标识来测量，测绳有可能随使用次数的增加而 产生较大的误差，电缆线上的深度标识也可能不准，因此每次测试前最好用钢尺对测绳或深 度标识进行校验，如测绳误差较大应及时更换，以避免由于深度测量的误差而造成等效剪切 波速值产生大的误差。l当触发方式采用外触发时，触发器触发时间较锤击激发时间有一定的延迟，如测试过程始终
15、 由一人负责锤击，每一次的锤击力度大体相当，则触发延迟时间应大体一致，对于波速测试 来说是一个系统误差。分层计算波速时，延迟时间对求第一层的波速值有影响，其它各层的 波速是用时间差计算的，延迟时间相互抵消，对层速度的计算影响不大。由于等效剪切波速 是20m土层的平均剪切波速，因此延迟时间对其是有影响的，如果知道了延迟时间的大致范围，则可以对由其引起的等效剪切波速的误差有一个估算，必要时可以对其进行校正。例如 使用速度计插在激振板中部地表土中充当触发器，由剪切波的波列图确定了20m测点剪切波 初至时间为70ms，触发延迟时间为2.5ms，则等效剪切波速计算值大致为：lVse计算=20/0.07=
16、286（m/s）l而校正值大致为：lVse校正=20/（0.07+0.0025）=276（m/s）l校正值大约比计算值低3.6%。如果采用锤头固定触发器的方式，延迟时间约为0.3ms，则等 效剪切波速的校正值较计算值低约1.2（m/s），基本可以忽略不计。 l3） 初至时间判读误差l在理想的测试波形中，压缩波相对于剪切波振幅小得多，正反向敲击剪 切波反向明显，对于剪切波初至时间的判读误差应该不大，将各测点剪 切波按测点深度排列后，由于相邻深度测点初至时间是连续的，相邻测 点速度没有突变，初至时间的判读精度应该更高，根据笔者经验，对于 理想的测试波形，由于初至时间的判读引起的等效剪切波速误差小于 10m/s。如图4.2所示，对于20m深度测点的波形图，如果初至时间确定 为第一幅的位置，平均波速为294.5m/s，定在第二幅图的位置，平均波 速为285.1m/s，二者相比，初至时间相差2.3ms，大约相当于1/61/8个 周期，波速相差9.4m/s，由图可知，两个位置已经有很明显的差别，第一幅图的位置显然更为合适，一般不会把初至时间定
